如果不是研究人员决定用中子束扫描岩石包裹的化石，那么古代鳄鱼的最后一餐可能永远不会为人所知。科学家们最初的目标是看看中子——原子核的组成部分，与质子一起——是否能比X射线提供更好的化石图像，结果惊人地发现，白垩纪时期的一只鳄鱼在死前吃掉了一种以前不为人知的幼年鸟脚亚目恐龙。
如果没有亚原子粒子，这项考古学上的惊喜以及许多其他壮举都将变得困难或不可能实现。长期以来，这些微小的物质碎片一直令寻求理解自然基本规律的物理学家们感兴趣，但事实证明，它们也具有更实际的用途。研究人员越来越多地将质子、中子、缪子和中微子作为工具，用于精确瞄准棘手的肿瘤、探测化石和火山以及揭示地球的隐藏结构，应用范围不断扩大。
杀死癌细胞的导弹
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质子非常丰富。与中子和电子一起，它们是我们和周围一切事物的原子组成部分。当从原子中提取出来并在粒子加速器中加速时，它们会变成精确的抗癌工具，比更常见的X射线和伽马射线治疗更安全有效，纽约市纪念斯隆-凯特琳癌症中心的南希·李说。
“质子总是更好，”李说。以合理的成本为人们提供治疗的后勤挑战是患者仍然转向其他选择的主要原因。“目前，[质子束疗法的]等待名单都超过一个月，”她说。
质子疗法治疗癌症始于20世纪50年代。但在21世纪初，受益于质子疗法的人数还不到1万人。在过去的二十年中，这个数字猛增到全球约20万人。治疗机构的数量也从本世纪初的十几个增加到今天的100多个。
医生可以调整质子束，精确地摧毁特定目标，通常是癌性肿瘤，而不会损害附近的器官——这与X射线和伽马射线不同，后者历史上一直是癌症治疗的首选射线束。这两种光子或光粒子会对肿瘤前后方的健康组织造成损害，而肿瘤才是预期的目标。另一方面，质子束对肿瘤前方的组织造成的损害相对较小，对肿瘤后方的组织则没有损害，这归功于质子在穿过包括人体在内的物质时能量损失的方式。
当加速的质子进入您的身体时，它会因与您细胞中的原子碰撞而损失一些能量。但它不会像光子那样沿着其路径分布能量。相反，质子会在行进一段距离后以一次快速爆发的形式释放能量，该距离取决于质子的初始能量。通过调整从加速器射出的质子的能量，医生可以选择穿透深度，将质子直接输送到目标。
这有点像向肿瘤发射杀死癌细胞的导弹：导弹穿过身体的路径会造成一些损害，但最终的爆发更具破坏性。
质子的重量和电荷使其能够精确穿透。理论上，更重的粒子会更加精确。研究人员正在研究依赖带电碳原子的放射疗法，碳原子包含六个质子和六个中子，使其比单个质子重得多。但李怀疑质子已经足够好，并且将在可预见的未来作为更成熟的选择而占据主导地位。她认为，得益于更简短、更强烈的质子束治疗（称为FLASH疗法，正在研发中），质子疗法很快就会变得更加有效。
中子扫描仪
白垩纪时期那只以恐龙为食的鳄鱼例证了基本粒子的其他日益增长的用途。“我最初被震惊了，不敢相信，”澳大利亚新英格兰大学的古生物学家马特·怀特说，他是《冈瓦纳研究》杂志上描述这项发现的论文的合著者。“化石化的胃内容物极其罕见，尤其是[对于]鳄鱼，它们拥有动物王国中最强大的胃酸。”如果没有中子断层扫描（这种mapping的名称），那么除非将化石拆开，否则永远无法揭示那只不幸的恐龙。
中子与质子的质量相似，但缺乏电荷。这使得它们更容易穿过物质。中子在癌症治疗方面有使用历史，但自20世纪90年代以来，其地位已让位于质子束。如今，它们在成像方面的潜力正在上升。
中子可以穿过铅和其他阻碍X射线的致密材料，提供发动机、燃料电池、邮件包裹甚至核弹头的内部视图，而无需将它们切开。主要的成像中子源包括核反应堆和粒子加速器，后者将高能质子瞄准目标，以从钨或汞等重金属原子中敲出中子。
这些粒子已被广泛使用数十年，但新的成像技术正在将该领域扩展到岩石和沉积物的地球科学研究、艺术品和古物的无损分析，甚至活植物。NASA太空望远镜改造的镜子即将扩大小尺度中子成像能力。“我们很快有望实现首个实用的中子显微镜，”国家标准与技术研究所的物理学家丹尼尔·赫西说。
制造中子透镜很困难，但镜子可以聚焦粒子，前提是它们由能很好地反射中子的材料制成。“我们与[麻省理工学院]和NASA马歇尔太空飞行中心合作启动了一个项目，以改造用于X射线望远镜的镍箔镜，”赫西说。镍恰好是中子的良好反射体，他预测这将使团队能够将强中子束聚焦到百万分之一米的尺度。结果将是快速、高分辨率的中子图像，其结构仅为红细胞大小的一小部分，并且是观察微观世界的强大新窗口。
自1970年以来，德国离子束技术中心一直使用质子疗法治疗眼部肿瘤，特别是脉络膜黑色素瘤。图片来源：Geilert/Agencja Fotograficzna Caro/Alamy Stock Photo
实用的粒子照明
地球上到处都是来自大气层高处的粒子。缪子，电子的较重表亲，以每分钟数千个的速度穿过我们的身体。幽灵般的中微子甚至更多——每秒钟有100万亿个中微子滑过一个普通体型的人。尽管我们通常没有意识到粒子雨，但在过去的几十年里，科学家们已经开始利用它们在考古学、地质学甚至国家安全领域的各种成像应用。
到达地球表面的缪子和许多中微子都始于撞击高层大气层的宇宙射线。射线主要是来自太阳或起源于深空的质子。无论它们的来源如何，当它们撞击空气中的原子时，都会产生粒子爆发。大多数粒子，包括电子、光子和短寿命的π介子，要么分解，要么被大气气体散射和吸收。这使得缪子和中微子继续下降到地面。与其他宇宙射线碎片相比，它们固有的生存能力使缪子和中微子成为探测物体内部结构的有趣工具。
比利时鲁汶天主教大学的粒子物理学家安德烈亚·贾曼科说：“缪子非常适合从米到[a]几公里的尺寸范围。” 它们可以方便地探测小到雨水桶，大到摩天大楼内部的东西。这些技术被称为缪子断层扫描，用于三维成像，缪子射线照相术用于二维成像，但如今，术语缪子成像更广泛地用于这两种技术。
宇宙射线粒子的首个实际应用可以追溯到20世纪50年代，当时澳大利亚工程师沿着一条隧道滚动缪子探测器，这条隧道最终将引导水流到与新南威尔士州古特加坝相关联的发电站。穿过大气层缪子的数量波动，提供了隧道顶部材料厚度的测量值。
加州大学伯克利分校的物理学家路易斯·阿尔瓦雷斯提高了缪子成像的门槛，他在1968年领导一个团队在埃及吉萨金字塔之一中寻找隐藏的密室。通过测量穿过石头的 атмосферные 缪子，他们发现没有未知的密室。尽管从考古学的角度来看令人失望，但这表明来自宇宙射线的缪子可以揭示金字塔的内部结构，而无需扰动任何一块石头。
尽管取得了这些成功，但基于宇宙射线后裔的扫描在很大程度上陷入停滞，直到2003年，缪子成像论文和实验的数量才开始激增。
康斯坦丁·博罗兹金说：“我们弄清楚了如何使用宇宙射线缪子的散射。”他曾是洛斯阿拉莫斯国家实验室小组的成员，该小组在《自然》杂志上发表了一篇论文，帮助重启了缪子成像技术。通过观察缪子在穿过材料时的散射方式，而不是仅仅检查有多少被吸收，博罗兹金和他的同事提高了他们可以创建的图像的分辨率。该技术在2011年灾难后监测福岛核电站内部派上了用场。此后，它催生了用于搜索卡车中的毒品、武器和其他违禁品的新系统，甚至隐藏在集装箱中和会阻挡X射线扫描仪的材料中的物品。
缪子成像的最新应用包括跟踪火山下岩浆的流动、监测潮汐以及分析建筑物内部结构以了解桥梁、建筑物和风力涡轮机如何老化。几乎所有太大或太密集而无法进行X射线检查，又太小而无法使用地震波研究的东西，都适用于缪子成像。
用中微子观察地球内部
就整个地球而言，宇宙射线产生的中微子即将提供其他地质方法无法提供的信息。中微子的探测深度比缪子深得多，因为它们缺乏电荷；它们不会被原子中带电的质子和电子偏离路径。它们几乎不受任何小于行星的物体的影响地流动，但它们有可能提供其他技术无法比拟的地球内部视图。
弗吉尼亚理工大学的丽贝卡·佩斯特斯说：“地球周围到处都是来自各个方向的中微子，因此我们可以获得大量数据。”她分析了未来中微子探测器扫描地球的潜力。
目前，地震学可以更好地描绘地球内部的图像。但佩斯特斯怀疑，由于一个不寻常的特征，中微子最终可能会提供地球内部的详细视图：中微子在传播过程中会发生转变，在被称为“味”的三种类型之间振荡。它们的振荡速率取决于它们穿过的物质的化学成分。巴黎城市大学教授维罗尼克·范·埃莱维克说：“振荡断层扫描[可以]提供一种更直接的方式来测量地球的成分。”
中微子也直接从核反应堆和放射性废物中流出，这导致了一些利用中微子来验证国际核协议的提议。专门为核潜艇设计的探测器将提供诊断和监测，而无需进入艇内安全区域。然而，这个想法仍处于初步阶段。
这些用途仅代表了粒子可以派上用场的越来越多的方式中的一部分。白垩纪时期鳄鱼腹中那只不幸的恐龙是粒子工具箱扩展带来的一个意外发现。这不会是最后一个。